ProKomb - Process combination of cross wedge rolling with multi-directional forming
Final Report Abstract
Im Projekt „Prozesskombination des Querkeilwalzens mit der mehrdirektionalen Umformung“ wurde der Einfluss einer querkeilgewalzten Vorform auf die mehrdirektionale Umformung in Hinblick auf potentielle Umformfehler während der Herstellung einer Kurbelwellenvorform untersucht. Für die Untersuchungen wurden Querkeilwalz-Geometrien bestimmt, anhand welcher die Einflüsse ausreichend genau untersucht werden konnten. Die Geometrien wiesen zwei Massenanhäufungen auf und besaßen alle das gleiche Volumen. Sie unterschieden sich jedoch durch die Variation des Schulterwinkels α und der Querschnittflächenreduktion ΔA sowie in dem Aussehen der Massenanhäufungen. Mit diesen Parametern wurde ein Parameterfeld zur Ermittlung der Grenzen der Gratbildung aufgespannt. Zudem wurden zur Untersuchung des Einflusses von Nebenformelementen (NFE), bestehend aus Flansch und Zapfen, Geometrien mit und ohne diese ausgewählt. Der Zapfen wurde durch das Querkeilwalzen erzeugt, der Flansch durch das mehrdirektionale Schmieden. Beim mehrdirektionalen Schmieden wird der Lagerversatz y variiert. Die Abbildung der beiden aufeinanderfolgenden Umformprozesse erfolgte durch FEM-Simulationen ausgehend von einem zylindrischen Stangenabschnitt. Aus den ermittelten Werten konnte eine Parameterfeldgrenze bestimmt werden, die experimentell näher untersucht wurde. Neben der Gratlänge wurden noch die Bauteiltemperatur, die Umformkraft, der Umformgrad und die Spannungen im Bauteil ermittelt und mit den vier variierten Parametern in Zusammenhang gebracht. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurden vier Varianten an querkeilgewalzten Vorformen mit Nebenformelementen sowie Parameter für das mehrdirektionale Schmieden für die experimentellen Untersuchungen ausgewählt: ΔA = 30 % und ΔA = 60 %, α = 30 °und α = 50 °, y = 3 mm und y = 4,5 mm. Die variierten Parameter der experimentellen Versuche waren neben ΔA, α und y gemäß dem Antrag die Umformtemperatur T (T = 1050 °C, T = 1250 °C) und die Umformgeschwindigkeit v (v = 15 mm/s, v = 25 mm/s). Analog zu den Simulationen wurden auch die experimentell untersuchten Varianten ausgewertet. Der Lagerversatz gibt an, um wie viel der mittlere Abschnitt der querkeilgewalzten Vorform sich gegenüber der ursprünglichen, mittleren Achse verschiebt. Simulativ besitzt er einen signifikanten Einfluss, bei den experimentell untersuchten Parameterkombinationen nicht. Kleine Schulterwinkel bilden eine große Übergangszone zwischen den Abschnitten mit unterschiedlichem Querschnitt. Die Entfernung zum Gratspalt ist dadurch beim Einlegen in das mehrdirektionale Werkzeug groß, sodass die Bauteilauskühlung bis zum Erreichen des Gratspaltes die Duktilität simulativ und experimentell signifikant herabsetzt, um nicht in den Gratspalt zu fließen. Aus dem gleichen Grund bildete sich bei höheren Werten für ΔA, v und T experimentell und bei NFE simulativ signifikant mehr Grat. In den Simulationen war nicht ΔA signifikant. Aufgrund von Abweichungen zwischen Simulation und Experiment aufgrund unzureichender Netzgröße zwecks Einhaltung der Projektlaufzeit berücksichtigt das mathematische Modell lediglich die Ergebnisse der experimentell untersuchten Varianten. Das Modell zeigt quantitativ, welche Varianten wie viel Grat aufweisen und beschreibt damit die Parameterfeldgrenze, da sowohl Varianten mit als auch ohne Grat erzeugt wurden. Gratlose Kurbelwellenvorformen lassen sich mit ΔA = 30 %, α = 30 ° und T = 1050 °C herstellen. Eine Erhöhung eines einzelnen Parameters führt unabhängig der weiteren Parameter zu Grat.
Publications
- Kurbelwellen lassen sich gratlos herstellen. In: MM Maschinenmarkt – Das Industriemagazin, Vogel Business Media, 2016, H. 35, S. 24-27
Rasche, N.
- Influence of the cross section area reduction in cross wedge rolling on the multi-directional forging of crankshafts. In: Advances in Materials and Processing Technologies (2017)
Rasche, N.; Stonis, M.; Behrens, B.-A.
(See online at https://dx.doi.org/10.1080/2374068X.2017.1328151) - Influence of the forming angle in cross wedge rolling on the multi-directional forging of crankshafts. In: Int J Mater Form
Rasche, N.; Stonis, M.; Behrens, B.-A
(See online at https://doi.org/10.1007/s12289-016-1326-3)
