Online-Überwachung von Schmiedeprozessen mittels akustischer Emissionsanalyse
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel der Forschungsarbeit war die Entwicklung eines AE-basierten onlinefähigen Überwachungssystems zur Sicherung der Bauteilqualität in Schmiedeprozessen. Drei Aluminiumlegierungen AlMg4.5Mn0.7, AlSi1MgMn und AlZn5.5MgCu sowie die Magnesiumlegierungen AZ80 und AZ31 wurden mit unterschiedlichen Druckumformverfahren umgeformt und die während des Prozesses entstehenden akustischen Emissionen gemessen. Zu diesem Zweck wurden Piezosensoren direkt auf das formgebende Werkzeug appliziert. Hierbei war ein Zusammenhang zwischen im Umformprozess entstehenden akustischen Emissionen mit besonderem Hinblick auf rissbedingte Bauteilschädigungen sowie Abweichungen des Schmierzustands herzustellen. An Stauchproben unterschiedlicher Geometrie wurden zunächst reproduzierbare Schädigungen unter Variation der Umformtemperatur und -geschwindigkeit hervorgerufen, um daraus charakteristische Signalmuster ableiten zu können. Hierbei wurden Parametersätze für die Aufnahme der AE-Signale bestimmt, mit denen maschinenbedingte Störsignale weitgehend gefiltert und Schädigungen in der Probe mittels der AE-Technik erkannt werden können. Es zeigte sich, dass es nicht ausreichend ist, AE-Signale qualitativ bzw. rein parameterbasiert auszuwerten, um verlässliche Aussagen über die Quelle der AE treffen zu können. Eine Untersuchung der AE-Signale verschiedener Ereignisse im Zeit- und Frequenzbereich ergab, dass die AE-Signale aufgrund ihrer Wellenform und Merkmale des Frequenzspektrums den einzelnen Ereignissen zugeordnet werden können. Darauf aufbauend wurde eine Regel zur Klassifizierung unterschiedlicher Umformereignisse vorgeschlagen, mit der zeitliche und spektrale Signalmerkmale berücksichtigt werden. Die Analysetechnik wurde an weiteren Umformprozessen zur Erzeugung praxisnaher Modellgeometrien getestet. Die Untersuchungen an den Magnesiumlegierungen ergaben, dass großflächige scherspannungsbedingte Risse, die das Schmiedeteil durchsetzen, während der Umformung bei einer Temperatur unterhalb von 250 °C ausreichend Schallenergie aufweisen, um noch detektiert werden zu können. Kleinere, aber durch eine Sichtprüfung identifizierbare Risse wiesen eine zu geringe Energie für deren Detektion auf. Die Risserkennung ist zudem durch den deformationsbedingten hohen Amplitudenpegel der untersuchten Magnesiumlegierungen erschwert. Bei den untersuchten Aluminiumlegierungen gelang die Rissdetektion für Risse bis zu etwa 4 Millimetern Länge, wobei der Risstyp, die Legierung und ihre Festigkeit entscheidend sind. Die Fähigkeit zur Rissdetektion mittels der AE-Technik steht in engem Zusammenhang mit den mechanischen Eigenschaften der Legierung, insbesondere der Duktilität. Mit steigender Umformtemperatur nimmt demnach die Möglichkeit ab, Risse zu detektieren. Daher ist die Anwendung der AE-Technik insbesondere für das Kaltformen und die im Rahmen der untersuchten Werkstoffe weniger duktil versagenden Legierungen geeignet. Die Klassifizierung von Rissen erfolgt anhand einzelner zeitlicher und spektraler Signalmerkmale. Während der Umformung sporadisch auftretende transiente Signale sowie etwaige maschinenbedingte kontinuierliche Signale sind zusätzliche Einflüsse, die für eine Beurteilung der Eignung der AE-Technik für Umformprozesse eine Einzelfallüberprüfung erforderlich machen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Online Monitoring of Hot Die Forging Processes Using Acoustic Emission (Part-I), International Journal of Acoustic Emission, Vol. 26, 2008
El-Galy, I.; Behrens, B.-A.
- Application of Acoustic Emission to Monitor Forging Processes of Magnesium Alloys under Superimposed Hydrostatic Pressure, Material Science and Technology 2009 (MS&T09), Pittsburg, PA, USA
El-Galy, I.; Pfeiffer, I.; Behrens, B.-A.
- Online Monitoring of Hot Die Forging Processes Using Acoustic Emission (Part-II), Proceedings of 29th European Conference on Acoustic Emission Testing, Vienna, Austria, September 2010
El-Galy, I.; Behrens, B.-A.
- Application of Acoustic Emission and Signal Analysis Techniques in Monitoring Die Forging Processes of Light Alloys. Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2011
El-Galy, I.
- Monitoring of Forging Processes by Application of Acoustic Emission Technique, Proceedings of the 4th International Lower Silesia – Saxony Conference on Advanced Metal Forming Processes in Automotive Industry Auto-MetForm in association with 21st Saxon Conference on Forming Technology SFU 2014, Freiberg, Germany, November 3rd – 5th, S. 240–248
Behrens, B.-A.; Buse, C.; Santangelo, A.:
- Potentials of in situ monitoring of aluminum alloy forging by acoustic emission. In: Archives of Civil and Mechanical Engineering 16 (2016), Nr. 4, S. 724–733
Behrens, B.-A.; Bouguecha, A.; Buse, C.; Wölki, K.; Santangelo, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.acme.2016.04.012)
