Prozessentwicklung des 3D-Bandprofilwalzens zur Erzeugung von Vormaterial mit Dickenunterschieden sowohl in Längs- als auch in Breitenrichtung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Leichtbau ist für die Automobil- und Luftfahrtindustrie stetig von Bedeutung. Ein Ansatz zur Gewichtsminimierung ist der Strukturleichtbau mit belastungsangepasstem Materialeinsatz. Hierfür werden durch „flexibles Walzen“ [Hauger] seit einigen Jahren Blechhalbzeuge für in Längsrichtung dickenangepasste Bauteile hergestellt. Die Kombination dieses flexiblen Walzens mit dem Bandprofilwalzen ermöglicht grundsätzlich eine zusätzliche Materialverteilung bzw. Dickenvariation in Breitenrichtung, die interessante Perspektiven zur Herstellung von belastungsangepassten Bauteilen eröffnet. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens insgesamt war die Prüfung, auf welche Weise und innerhalb welcher Gestaltungsgrenzen durch diese Verfahrenskombination Bleche mit definierter Dickenvariation in Längs- und Querrichtung erzeugt werden können. Im ersten Förderzeitraum konnte u.a. gezeigt werden, dass ausschließlich die Reihenfolge Bandprofilwalzen nach „flexiblem Walzen“ zu angemessenen Ergebnissen führen kann. Außerdem wurde gezeigt, dass die bezogene Höhenabnahme entlang der durch Bandprofilwalzen einzuwalzenden Rille über die Länge der Platine auch bei in Längsrichtung variabler Blechdicke konstant gehalten werden muss, um andernfalls zwangsläufig entstehende Fehler (z.B. Wellen) zu vermeiden. Im Fortsetzungszeitraum wurde diese Kombination beider Prozesse in Experiment und Simulation genauer untersucht. Für die Durchführung der Versuche wurden Tailor Rolled Blanks (TRB) mit einer maximalen bezogenen Dickenabnahme εh TRB von 20 % durch Walzen erzeugt. Anschließend wurde eine Rille entlang der Längsrichtung der hergestellten TRBs mittels Bandprofilwalzen eingebracht. Zur gezielten Einstellung der bezogenen Dickenabnahme im TRB (εh Rille) während des Bandprofilwalzens wurde im Steuerungsrechner des Laborwalzwerks ein Regelkreis implementiert. Diese Regelung basiert auf der Korrektur der Spindelposition, die die Walzspaltanstellung und somit die Rillendicke hRille bei εh Rille bestimmt. Mit der aufgebauten Regelung und adaptierten Bandführungsschienen konnten tiefere Rillen in einem Stich mit εh Rille von 20 % und 30 % in TRBs aus Stahl und Aluminiumlegierungen eingewalzt werden. Walzversuche mit h0 = 2,5 mm (DC01) und 4,0 mm (AlMg3) zeigten, dass eine zunehmende Dickenabnahme im Bandprofilwalzprozess εh Rille eine stärkere Aufwölbung (V-Form) des TRBs hervorgerufen hat. Dieser Effekt wurde bei TRBs aus dicken Blechen (h0=20 mm aus Al99,5) aufgrund der höheren Steifigkeit dieser dicken Platinen unterdrückt. Die Erweiterung der Rille durch eine Vertiefung oder Verbreiterung in mehreren Stichen wurde zunächst in FEM Rechnungen untersucht. Dabei konnte die Geometrie der Rille in der Breite (Versetzungen der Profilwalze) und Tiefe (Erhöhung von εh Rille) in einem TRB (AlMg3, Anfangsdicke h0 = 4 mm) erweitert werden. Zusätzlich konnte der Einfluss der Variation von h0 auf die Wulstbildung und Wölbung untersucht werden. Aus den Simulationsuntersuchungen konnten folgende Ergebnisse für h0 = 4 mm bezüglich des Wulstanteils abgeleitet werden: Ein kleiner Versatz der Profilwalze zwischen verschiedenen Walzstichen reduziert den Wulstanteil im TRB. Dagegen ist ein großer Versatz ungünstig, da der Werkstoff dann zum großen Teil in die Wulstfläche fließt. Mit steigenden εh Rille wächst der Wulstanteil im unverfestigten Bereich des TRBs, während sich im verfestigten Bereich des TRBs der Wulstanteil in Abhängigkeit der lokalen Vorverfestigung und εh Rille bildet. Je größer die lokale Vorverfestigung ist, desto stärker sinkt der Wulstanteil mit steigenden εh Rille. Aus der Erhöhung der Ausgangshöhe h0 unter Beibehaltung der Dickenreduzierungen εh TRB und εh Rille ergibt sich eine Unterdrückung der Wölbung. Bezüglich des Werkstoffflusses bei der Rillenerweiterung zeigen dünne Bleche von h0 = 2,5 mm im Gegensatz zu dicken Blechen mit h0 = 15 mm mit jedem Walzstich einen geringeren Wulstanteil. In der Simulation wurde die Position der Rille, die in das TRB gewalzt wird, mittig gewählt. Die Experimente zeigten jedoch Abweichungen von dieser Position, die u.a. durch die dynamische Walzspalteinstellung und die dabei unsichere Führung beim Ein- und Auslaufen der Platinen in den Walzspalt bedingt sind. Trotz adaptierter Führungen verhinderten diese Abweichungen eine reproduzierbare Korrektur des Rillenprofils sowie eine praktische Validierung der numerischen Ergebnisse zur Erweiterung der Rillenbreite und Rillentiefe in weiteren Walzstichen. Bleche mit gezielt eingestellter Dickenverteilung haben ein hohes Potential zur Gewichtsreduzierung und können Anwendung in belastungsangepassten Bauteilen finden. TRBs aus Blechen bis h0 = 3 mm mit einer Materialverteilung in Breiten- und Längenrichtung können im Automobilbereich als tiefgezogene und gebogene Bauteile zur Anwendung kommen. TRBs aus dicken Blechen (h0 ≥ 3 mm) mit einer Materialverteilung in Breiten- und Längenrichtung eignen sich als gebogene Bauteile, die in der Luftfahrt- oder Transportindustrie eine Verwendung in Tragstrukturen haben können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Production of blanks with thickness transitions in longitudinal and lateral direction through 3D-Strip Profile Rolling”. International Journal of Material Forming, Vol. 1 (2008) Page 391-394 (ISSN 1960-6206)
N. Ryabkov, F. Jackel, K. van Putten, G. Hirt
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„Cold rolling processes to functionalize semifinished products“, Proceedings of the TMS 2009 Annual Meeting and Exibition, San Francisco, California (February, 2009), pp. 1209-1214
van Putten, K., Hirt, G., Thome, M., Kopp, R.
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2010, New Cold Rolling Technologies for Lightweight Design and Functional Riblet Surfaces, Sheffield Metallurgical and Engineering Association – Advances in Metals Manufacturing Technologies, June 2010, Sheffield, United-Kingdom, Session I – Process Technology, No.2
Romans, T., Hirt, G., Kopp, R., Davalos, D., Jackel, F., Thome, M.
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Lightweight design by Flexible Rolling and Strip Profile Rolling, Steel Research Int. Special Edition for 10th ICTP, September 2011, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, pp. 117-122, ISBN: 978-3-514-00784-0
Dávalos Julca, D.; Förster, T.; Wietbrock, B.; Hirt, G.
