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Blechmassivumformung Auch inkrementell rechnet sich die Blechmassivumformung

| Autor/ Redakteur: Sebastian Wernicke, Peter Sieczkarek und A. Erman Tekkaya / Stéphane Itasse

Die inkrementelle Blechmassivumformung ermöglicht eine flexible Herstellung von Funktionsbauteilen durch den Einsatz von Massivumformprozessen auf Bleche. Mit einer lokalen Einstellung der Blechdicke lassen sich so belastungsangepasste Bauteile realisieren.

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Für ihre Untersuchungen zur inkrementellen Blechmassiv­umformung nutzen die Forscher des IUL diese Mehrachspresse.
Für ihre Untersuchungen zur inkrementellen Blechmassiv­umformung nutzen die Forscher des IUL diese Mehrachspresse.
(Bild: IUL)

Die bislang am Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL) der TU Dortmund nur in ihren Grundlagen untersuchte Blechmassivumformung wurde nun auch im Hinblick auf einen industriellen Technologieeinsatz weiterentwickelt (Bild 1). Mit dünnen Ausgangsblechdicken (s0 = 2–3 mm) werden relevante Bauteilbereiche in der Randzone zunächst in einem Kammerungswerkzeug aufgedickt (Bild 2). Anschließend erfolgt eine umformtechnische Ausformung einer Verzahnung. Die untersuchten Prozessvarianten zum Randaufdicken waren abgleitend, abwälzend und getaktet; zum Verzahnen waren es getaktete und rotierende Varianten (Bild 3). Durch eine gezielte Lokalisierung des Materials wird Werkstoff eingespart und das Bauteilgewicht reduziert.

Umformung verbessert Bauteileigenschaften

Im Vergleich zu geschmiedeten oder feingeschnittenen Funktionsbauteilen, bei denen die Verzahnung in der Regel spanend eingebracht wird, ergibt die umformtechnische Verzahnung weitere Vorteile wie einen durchgängigen Werkstofffaserverlauf und verbesserte mechanische Bauteileigenschaften. Durch die für die inkrementelle Blechmassivumformung charakteristischen hohen Umformgrade von bis zu φ = 4 kann das Verfestigungspotenzial der Werkstoffe nahezu vollständig ausgeschöpft werden. Dies könnte eine Wärmebehandlung nach der Bauteilherstellung gegebenenfalls überflüssig machen.

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Bei Untersuchungen konnten drei wesentliche Herausforderungen beobachtet werden:

  • die Gratbildung zwischen dem Umformwerkzeug und der zur Steuerung des Werkstoffflusses benötigten Kammerung, die eine Nachbearbeitung der Geometrie notwendig macht,
  • bestehende Kammerungskonzepte, die durch geometrisch vorgegebene Kavitäten keine flexible Einstellung der Randaufdickung zulassen, und
  • eine deutlich längere Prozesszeit inkrementeller Umformverfahren im Vergleich zu einstufigen Umformverfahren.

Die anfänglich untersuchte Prozessroute zur Herstellung eines rotationssymmetrischen belastungsangepassten Zahnrades durch abgleitendes Randaufdicken und nachgelagertes getaktetes Verzahnen führte bei einem Bauteil mit 62 Zähnen zu einer Prozesszeit von 1800 s. Die Prozesszeit für ein industriell hergestelltes Referenzbauteil, bei dem die Verzahnung spanend eingebracht wurde, beträgt lediglich 40 s. Dies stellte die obere Grenze hinsichtlich einer wirtschaftlichen Nutzung der inkrementellen Blechmassivumformung dar (Bild 4 und 5).

Die Prozessbeschleunigung konnte mit frei rotierenden Werkzeugen für das Randaufdicken und Verzahnen erreicht werden. Durch abwälzende statt abgleitender Randaufdickwerkzeuge reduzierte sich die geschwindigkeitsabhängige Werkzeugerwärmung. Zudem entfallen die Zustellzeiten des getakteten Verzahnens. Diese Vorteile werden begleitet von einem geänderten Werkstofffluss, welcher beim nachgelagerten rotierenden Verzahnen zur Beschädigung bereits ausgeformter Formelemente führt (Bild 6).

Dieser Effekt ist auf die zustellbedingte Änderung des temporären Teilkreisdurchmessers während des frei rotierenden Verzahnungsprozesses zurückzuführen (Bild 7). Hierdurch verringert sich während des Prozesses die Zahl der Formelemente über den Bauteilumfang. Dieser Effekt kann durch eine Synchronisation der Umfangsgeschwindigkeiten zwischen Werkzeug und Werkstück verhindert werden (Bild 8).

Kammerungswerkzeug zum Patent angemeldet

Ein wesentliches Ergebnis der Untersuchungen ist ein zum Patent angemeldetes variables Kammerungswerkzeug (Bild 9). Dessen neuartiges Kammerungskonzept ermöglicht das Überwinden der Hürden für eine industrielle Nutzung der inkrementellen Blechmassivumformung. Anders als beim bisherigen Werkzeugkonzept erfolgt die Steuerung des axialen Werkstoffflusses nicht mehr durch werkstückseitig angeordnete starre Kammerungsplatten (Bild 2), sondern durch axial bewegliche Kammerungswerkzeuge (Bild 10). Diese können während des Prozesses stufenlos axial zugestellt werden und definieren hierdurch die Höhe der Randaufdickung. Insbesondere für große Aufdickverhältnisse können somit Umformstufen für das Randaufdicken entfallen, ohne dass die weit auskragenden Blechronden knicken. Die zur Beibehaltung der ausgeformten Formelemente benötigte Werkzeugsynchronisierung wurde durch einen zusätzlichen Servomotor realisiert.

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Forschungsfinanzierung
Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben „Wirtschaftliche Herstellung gewichts- und eigenschaftsoptimierter Funktionsbauteile mittels inkrementeller Blechmassivumformung“, IGF-Projekt Nr. 18663 N, der Forschungsvereinigung Stahlanwendung
e. V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

* Sebastian Wernicke und Dr. Peter Sieczkarek sind wissenschaftliche Mitarbeiter, Prof. A. Erman Tekkaya ist Leiter des Instituts für Umformtechnik und Leichtbau der TU Dortmund in 44227 Dortmund

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