Investigations of the shear behaviour of aluminium alloys
Final Report Abstract
In dem durchgeführten Forschungsvorhaben wurde eine grundlegende Untersuchung zum Scherverhalten massiver Halbzeuge aus Aluminiumlegierungen durchgeführt. Aufbauend auf dem ersten Antragszeitraum wurden Prozessparameter abgeleitet, die im zweiten Antragszeitraum näher untersucht wurden. Dabei wurde insbesondere der Schneidspalt als einflussreichster Parameter identifiziert. In umfassenden experimentellen Versuchsreihen wurde das Scherschneiden der vier Legierungen EN AW 5754-H111, EN AW 5083-H112, EN AW 6082-T6 sowie EN AW 7075-O in einem vorhandenen Werkzeug innerhalb einer Spindelpresse vorgenommen. Mechanische Eigenschaften, wie Zugfestigkeit und Bruchdehnung, der untersuchten Materialien wurden zunächst in Zugversuchen ermittelt, wobei Unterschiede hinsichtlich Festigkeiten sowie Duktilität festgestellt werden konnten. In experimentellen Versuchsreihen wurde der bereits im ersten Antragszeitraum festgestellte große Einfluss des Schneidspalts, der den horizontalen Abstand der beiden Schermesser beschreibt, auf die resultierende Scherflächenqualität weitergehend untersucht. In den durchgeführten Versuchsreihen des zweiten Antragszeitraums wurde eine Verkleinerung der Schneidspalte vorgenommen und durch eine konstruktive Anpassung des Werkzeugaufbaus Messerabstände von 0 mm, 0,1 mm, 0,2 mm, 0,3 mm und 0,4 mm realisiert. Eine Verkleinerung des Schneidspalts führte im Fall der Legierungen EN AW 5754-H111, EN AW 5083-H112 und EN AW 6082-T6 tendenziell zu einer Verbesserung hinsichtlich der resultierenden Standwinkel ψ. Gegensätzliches Verhalten konnte in Bezug auf die Welligkeit der Scherflächen festgestellt werden. Bei der Legierung EN AW 7075-O konnten im gesamten Forschungsvorhaben lediglich inakzeptable Scherqualitäten im Hinblick auf eine umformtechnische Weiterverarbeitung erreicht werden (Standwinkel ψ > 1 °). Die Materialeigenschaften der Legierung mit geringer Festigkeit sowie geringer Duktilität erfordern eine Anpassung der Prozessparameter, wie z.B. der Schergeschwindigkeit, um eine Steigerung der Qualität hervorzurufen. Weiterhin wurde die Geometrie des in die Schermesser eingebrachten Hinterschliffs variiert und dessen Einfluss auf das Scherergebnis untersucht. Dabei konnte durch Verwendung eines Hinterschliffs mit verringerter Schlifftiefe bei den Legierungen EN AW 5083-H112 und EN AW 6082-T6 eine weitere Verbesserung hinsichtlich Standwinkel und Welligkeit erzielt werden. In weiterführenden Versuchsreihen wurde das Scherverhalten von unterschiedlichen Halbzeuggeometrien betrachtet. In Untersuchungen mit abweichendem Halbzeugdurchmesser bzw. Halbzeugform konnte festgestellt werden, dass die bisher erfolgreich angewendeten Prozessparameter nicht ohne Weiteres auf die veränderten Bedingungen anpassbar sind. Sowohl in den Versuchsreihen mit vergrößertem Durchmesser als auch mit veränderter quadratischen Form wurden verringerte Scherqualitäten hinsichtlich Standwinkel, Welligkeit und Oberflächenfehler erzielt. Dagegen konnte in zusätzlich durchgeführten Versuchsreihen mit variierenden Reibungszuständen eine zielführende Beeinflussung der Scherqualität hervorgerufen werden. Die Reibung im Scherprozess wurde zum einen durch Benetzung der Halbzeuge mit Öl herabgesetzt sowie zum anderen durch Einbringung von Rillen in die Messer erhöht. Dabei konnten bei den Legierungen EN AW 5754-H111, EN AW 5083-H112 und EN AW 6082-T6 deutliche Verbesserungen der Scherqualität durch die Herabsetzung der Reibung festgestellt werden. Insgesamt konnten durch die Anpassung der verschiedenen Prozessparameter an drei der vier untersuchten Aluminiumlegierungen hohe Scherqualitäten erzeugt werden. Insbesondere der Standwinkel der gescherten Proben konnte im Vergleich zum ersten Antragszeitraum deutlich verbessert werden, womit eine umformtechnische Weiterverarbeitung der gescherten Rohteile grundsätzlich ermöglicht werden kann. Mithilfe der Umformsimulationen beim Scherschneiden konnte die erwartete Zunahme der Schneidkräfte mit kleiner werdendem Schneidspalt sowie der Zusammenhang zwischen Schneidspalt und Standwinkel bestätigt werden. Zudem wurden die verschleißgefährdeten Werkzeugregionen, aufgrund eines kleiner werdenden Schneidspalts mithilfe der numerischen Simulationen ermittelt. Gemäß den erzielten Erkenntnissen aus den experimentellen Scherversuchen und den Simulationen kann ein Schneidspalt von unter 0,2 mm zur Herstellung von gescherten Aluminiumrohteilen aus den Legierungen EN AW 5754-H111, 5083-H112 und 6082-T6 empfohlen werden. Mit dem Schneidspalt von 0,2 mm lassen sich tendenziell fehlerfreie Rohteile mit einer akzeptablen Oberflächengüte (Welligkeit), einem geringen Standwinkel von ψ < 1 ° sowie einer marginal erhöhten Scherkraft herstellen. Die Werkzeugbelastungen mit einem Schneidspalt von unter 0,2 mm fallen aufgrund der vergleichsweise ähnlichen Scherkräfte ähnlich aus.
Publications
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Evaluation of AW-6082 aluminium bar shearing simulation, Advances in Materials, Mechanics and Manufacturing, pp. 142-149, 2019
Sonda Moakhar, Hamdi Hentati, Maher Barkallah, Jamel Louati, Christian Bonk, Bernd-Arno Behrens, Mohamed Haddar
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Shearing of Aluminium Rods for the Production of Billets for Bulk Metal Forming Operations, Acoustic Journal, 2018
Bernd-Arno Behrens, Kai Brunotte, Lennard Lippold
