Fundamentals of the Incremental Profile Forming
Final Report Abstract
Das Inkrementelle Profilumformen (IPU) ist ein flexibles Verfahren zur Herstellung von Profilen mit entlang der Längsachse variierenden Querschnittsgeometrien. Der Einsatz eines oder mehrerer radial auf das Rohrhalbzeug wirkender Umformwerkzeuge ermöglicht die flexible lokale Änderung des Profilquerschnitts und somit die Realisierung hochkomplexer Profilstrukturen. Aufgrund des hohen Neuheitsgrads des Verfahrens ist bislang kein Wissen über die prozess- und bauteilspezifischen Eigenschaften verfügbar. Um das Verfahren nutzbar zu machen und es effektiv einsetzen zu können, wurden im Rahmen dieses Vorhabens die physikalischen Grundlagen des Umformprozesses erarbeitet. Diesbezüglich wurden sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen durchgeführt. Nachdem die Umformmechanismen der kinematischen IPU-Umformung identifiziert wurden, konnte ein analytisches Prozessmodell zur Vorhersage der Formänderungen sowie zur Berechnung der wirkenden Prozesskräfte entwickelt und mithilfe der Experimente und numerischen Ergebnisse in Abhängigkeit aller wesentlichen Prozessparameter validiert werden. Das Modell basiert dabei auf dem Teilprozess des radialen Eindrückens, welches es erlaubt, eine obere Schranke für die wirkende Umformkraft für alle weiteren Teilprozesse der kinematischen inkrementellen Profilumformung zu ermitteln und eine entsprechende Prozessauslegung durchzuführen. Im Hinblick auf die für die kinematische Umformung charakteristische Wandstärkenreduktion im Bereich des Werkzeugeingriffs konnte ebenfalls eine hohe Vorhersagegenauigkeit nachgewiesen werden. Neben der Prozessanalyse erfolgte weiterhin eine tiefgehende Analyse der Bauteileigenschaften. Im Fokus stand hierbei die resultierende Bauteilgeometrie bei der axialen Umformung mit einem halbkugelförmigen Werkzeug, da diese eine sehr ungleichmäßige Längskontur aufweist. Neben der Analyse und Beschreibung des komplexen Rückfederungsverhaltens bei der kinematischen IPU-Umformung konnten, basierend auf entwickelten analytischen Zusammenhängen, entsprechende Gegenmaßnahmen entwickelt werden, die zu einer Steigerung der Bauteilgenauigkeit führten. Neben alternativen Prozessführungen wurden diesbezüglich ebenfalls alternative Werkzeugkonzepte (Scheiben- und Rollwerkzeuge) entwickelt. Weiterhin wurde der Einfluss der jeweiligen Werkzeugtechnik auf die resultierende Oberflächenqualität analysiert. Anhand von durchgeführten Rauheitsmessungen im Bereich des Werkzeugkontakts zeigte sich, dass es durch den Einsatz von starren Werkzeugen, die grundsätzlich in einem Gleitkontakt zum Werkstück stehen, zu einer Verminderung der Oberflächenqualität durch abrasive Verschleißerscheinungen am Werkstück kommt. Durch den Einsatz eines Rollwerkzeugs konnte dagegen die Rauheit des Halbzeugs nach der Umformung nahezu beibehalten werden. Da durch die beiden alternativen Werkzeugkonzepte ein Verlust an Verfahrensflexibilität einhergeht, wurde ferner ein oszillierendes Werkzeug entwickelt und experimentell erprobt. Mit steigender Frequenz des oszillierenden Werkzeugs konnte eine geringe Abnahme der Radialkraft sowie eine sinkende Soll-/Ist-Abweichung der Geometrie detektiert werden. Simultan werden geringere Oberflächenrauheiten im unteren Totpunkt der Umformzone gemessen. Die grundlegenden Untersuchungen und entwickelten Modelle sind damit Voraussetzungen für weitere Entwicklungen des innovativen IPU-Verfahrens zur Fertigung von komplexen Profilbauteilen mit einer flexiblen Prozessführung.
Publications
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