Einleitung / Motivation Kaltfließpressen von langen hohlen...

Dresden

Institut für Umformtechnik

Universität Stuttgart

Dr.-Ing. Alexander Felde

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Mathias Liewald MBA

WERKSTOFFWOCHE 2015

Institut für Umformtechnik (IFU), Universität Stuttgart

Leichtbau durch die Kaltmassivumformung



Universität Stuttgart 2 16.09.2015 Dr.-Ing. Alexander Felde

Agenda

Einleitung / Motivation

Kaltfließpressen von langen hohlen Halbzeugen

Erzeugung von dünnwandigen hohlen Halbzeugen

Herstellung hohler Bauteile aus Blechmaterial




Agenda








Leichtbaupotential im Fahrzeugantrieb Motivation

Herausforderung an die Automobilindustrie

Losung: Leichtbaukonstruktion




Hohle Bauteilgestaltung

Gewichtreduzierung von 30 % bei 90 %

Flächenträgheitsmoment

Integration von zusätzlichen Funktionen

Torsionsfestigkeit: 100% 90%

Gewicht: 100% 70%

Nachteile / Herausforderungen:

Erhöhter technologischer Aufwand

Rundlauf und Toleranzanforderungen




Technologische Grenzen bei der Herstellung hohler Leichtbauteilen

pSt, max = 2.500 N/mm2

(z.B. ASP23, HRC 61-63)

pSt, max = 2.300 N/mm2

(z.B. 1.3343, HRC 60-62)

kraftreduzierende

Maßnahmen

εA = di

2

da2

Bild: Schmitt, 1968

do

di

hi

εA = di

2

do2

0,15 < < 0,8

hi / di < 2,5…3,5

Druckspannungen im Stempel

Knickrisiko des Stempels

Smax – Smin ≈ 0,1 mm Erreichbare Lagegenauigkeit

1.

2.

3.




Agenda








Erzeugen von extrem tiefen Näpfen Zielsetzung und Lösungsweg

Motivation

• Leichtbau, Gewichtsoptimierung

• Reduzierung von Fertigungsstufen bei der Fertigung

hohler Pressteile

L / D < 2,5…3,5

Knickverhalten des

Stempels

Knickgrenze für Stempel aus

Schnellarbeitsstahl, n. VDI 3186

L D




Erzeugen von extrem tiefen Näpfen Konzept Versuchswerkzeug

Stempel

Matrize

Armierung

Pressteil

Prozesssimulation

Stempelverlängerung

Führung

Stempelführung

Feder

Aktive Werkzeugteile

Gegenstempel

Prinzipielle Werkzeuggestaltung L/D ≤ 7




Erzeugen von extrem tiefen Näpfen Prozessparameter

H0

D

H1

D

d

3

Pressteil

H1/d

Rohteil Pressteil Gegen-

stempel

(Hgst) Durchmesser

(D, mm)

Länge

(H0, mm)

Innendurchmesser

(d, mm)

Länge

(H1, mm)

4 18 21,5 15 60 48,5

5 18 26 15 75 44

6 18 30,5 15 90 39,5

7 18 35 15 105 35

Werkstoff H1/d Schmierstoff Versuche

EN AW

1050 4; 5; 6; 7 Zinkstearat 10

C15 4; 5 Phosphatierung + MoS2

Phosphatierung+ Seife 3

Insgesamt 46 Versuche

Rohteil




Erzeugen von extrem tiefen Näpfen Ergebnisse der Versuche

63 78 93 108

H1/d=4 H1/d=5 H1/d=6 H1/d=7

EN AW 1050

78 63

H1/d=4 H1/d=5

C15 Pressteil:

Außendurchmesser: D=18 mm;

Innendurchmesser: d=15 mm;

EN AW 1050 C15

Erfolgte Versuche




Erzeugen von extrem tiefen Näpfen Ausblick

H0

D

H1

D

d

3

Rohteil Pressteil

Pressteil:

Außendurchmesser: D=15 mm;

Innendurchmesser: d=11 mm;

H1/d: 10;

Modifiziertes Werkzeug für L/D ≤ 10 0,46 0,69

Erfolgte Versuche

Neue Versuchsreihe




Agenda








Herstellung extrem dünner Näpfe Problemstellung & Lösungsweg

ØDi

ØDa

h

smin

Motivation für den Leichtbau

• Herstellung extrem dünnwandiger Näpfe

• Verfestigung der Napfwand

Stempelüberbelastung!

Verfahrensgrenze beim Napf-Rückwärts-Fließpressen

von Stahl: 𝜀𝐴𝑚𝑎𝑥 ≈ 0,8; 𝑠𝑚𝑖𝑛 > 1 𝑚𝑚

εA = di

2

do2

0,15 < < 0,8 Bezogene

Querschnittsänderung

Lösungsweg: Einleitung von

Zugkräften in die Napfwand durch

Reibschluss

vSt

vM

vSt

vGst




Herstellung extrem dünner Näpfe Versuchswerkzeug & Versuchsplan

zweifachwirkender Zylinder:

• Wegmax = 100 mm

• Vmax = 100 mm/s

• Fmax = 500 kN

Versuchswergzeug

Werkstoff [-] εA [-] V [-] Schmierung [-] ØDa [mm]

AA1050 0,68 0-0,9

Zinkstearat

17

0,8 0; 0,7; 0,85

16MnCrS5

0,68 0,64-0,9 Phosphatierung+

Seife 0,8 0,8; 0,85;

0,9

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

VG

st [n

orm

iert

]

VSt [normiert]




Herstellung extrem dünner Näpfe Ergebnisse der Versuche (AA1050, 𝜺𝑨=0,8 und 0,68)

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40

Ste

mp

elk

raft

[k

N]

Weg [mm]

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40S

tem

pe

lkra

ft [

kN

]

Weg [mm]

V=0 V=0.5 V=0.6

V=0.7 V=0.8 V=0.85

V=0.9

17%

As expected

from

numerical

sensitivity

analysis no

drop of

punch load

occurs up to

a velocity

ratio of V=0.7

16%

𝜺𝑨=0,8

𝜺𝑨=0,68




Herstellung extrem dünner Näpfe Ergebnisse der Versuche (16MnCrS5, 𝜺𝑨=0,8 und 0,68)

0

100

200

300

400

500

0 10 20 30 40

Ste

mp

elk

raft

[k

N]

Weg [mm]

Limit = 480 kN

Wanddicke 𝑠 = 0,75 𝑚𝑚!

𝜺𝑨=0,8

0

100

200

300

400

0 10 20 30 40

Ste

mp

elk

raft

[k

N]

Weg [mm]

V=0.64

V=0.7

V=0.8

V=0.85

V=0.9𝜺𝑨=0,68

V=0

V=0.7

V=0.9




Forschungsverbund massiverLECHTBAU Herstellung dünnwandiger Hülsen mittels Kaltfließpressens

Pressteil

Matrize

Stempel

Gegenstempel

Stadien der Napfherstellung mittels

Erzeugung einer Doppelnapf-Zwischenform

Motivation

Erzeugung eines dünnwandigen Napfes in einer komplexen Verfahrenskombination innerhalb eines Stößelhubes

Einbringung einer höheren Verfestigung im dünnwandigen Pressteil bei einer moderaten Werkzeugbeanspruchung

Erforderliche Werkzeugkinematik soll mit innovativer Anlagentechnik realisiert werden

1.-3. Kraftmessdosen (DMS und Piezo)

4.-5. Wegmesssystem (SSI)

6.-7. Druckmessumformer

8. Säulenführungsgestell

9. Differentialzylinder

5, 6-7

3

2 4

1

8

9




Agenda








Herstellung hohler Bauteile aus Blechmaterial Pressteil dreifach verzahnte hohle Muffe (16MnCrS5)

3,9

50

Wirtschaftliche Vorteile der

Variante „Blech“:

• geringere Materialkosten

• geringere Bearbeitungskosten

22

Erwarteter funktioneller Vorteil

der Variante „Blech“:

höhere Lagegenauigkeit von

Funktionsoberflächen

Rohteil Variante „Blech“

Rohteil Variante „Massiv“




Herstellung hohler Bauteile aus Blechmaterial Stadienplan

Stufe 1:

Komb. Tiefziehen-

Hohl-Vorwärts-FP

Stufen 2-4:

Abstreckgleitziehen Stufe 5:

Verzahnungspressen




Herstellung hohler Bauteile aus Blechmaterial Zwischenstadien des kombinierten Tiefziehen-Hohl-Vorwärts-Fließpressens

Aufsetzen des

Stempels Primäre

Tiefziehphase Sekundäre

Tiefziehphase mit

Material-

nachschieben

Hohl-Vorwärts-

Fließpressen




Herstellung hohler Bauteile aus Blechmaterial Numerische Untersuchungen zum kombinierten Tiefziehen-Hohl-Vorwärts-Fließpressen

Max.

Hauptspannung Damage Analyse des Spannungs- und Dehnungszustandes

zur Vorhersage der Schädigung




Herstellung hohler Bauteile aus Blechmaterial Experimentelle Untersuchungen zum kombinierten Tiefziehen-Hohl-Vorwärts-Fließpressen

Unterfüllung


Universität Stuttgart

Alexander Felde

[email protected]

Tel.: 0711-65883842

Fax.: 0711-65883839


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