Bohrungsdrücken – ein Verfahren der Umformung für Hohlstrukturen

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Bei der Bestimmung des Prozessfensters sind insbesondere Kenntnisse über die optimalen Abmessungen des Halbzeuges, die Textur und die technologischen Prozesskenngrößen (Arbeitsgeschwindigkeit und Prozesstemperatur) sowie bezüglich des Werkzeugdesigns (Geometrie, Beschichtung, Schmierstoff) zu erlangen. Für eine optimale Prozesskettentauglichkeit sind außerdem solche Werkstoffeigenschaften zu erzielen, die eine wirtschaftliche Weiterbearbeitung durch spangebendes Finishen unterstützen. Dazu ist eine gezielte thermomechanische Werkstoffbehandlung im Umformprozess zu finden.

Wichtig ist es, eine geeignete Umformtemperatur zu finden

Im ersten Untersuchungszeitraum musste die Temperaturführung des Prozesses ermittelt und eine geeignete Umformtemperatur gefunden werden. Aufgrund der typischerweise hervorragenden Kaltumformeigenschaften der ß-Titanlegierungen und ihrer durch die Umformung beeinflussbaren Eigenschaften ist die Anwendung partieller Kaltumformverfahren mit einem hohen hydrostatischen Druckspannungsanteil ein vielversprechender Ansatz gewesen.

Jedoch musste schnell realisiert werden, dass erst oberhalb von 500 °C eine Umformung des Versuchswerkstoffes Ti10V2Fe3Al durch Bohrungsdrücken sicher möglich ist. In durchgeführten Temperatursimulationen, wie zum Beispiel in Bild 3 dargestellt, ist der günstigste Temperaturbereich für den Umformprozess untersucht worden.

Dabei erkennt man deutlich den Temperatureinfluss durch den Werkzeugkontakt. An der Probenoberfläche beträgt die Abkühlung bis zu 300 K innerhalb von 10 s. Dadurch erhöht sich auch die Stempelbelastung im Prozess deutlich.

Die Erwärmung wurde im Ofen über 60 min unter einer Argon-Schutzgasatmosphäre mit einer Temperatur von 650 °C durchgeführt.

Temperaturen unter 500 °C und über 750 °C ungeeignet

Nach dem Vorwärmen des Halbzeuges im Ofen beträgt die Oberflächentemperatur bei Versuchsbeginn in der Maschine circa 550 °C. Nach Beendigung des Umformprozesses, das heißt nach etwa 180 s, ist die Ti-Probe auf rund 450 °C abgekühlt. Wird dieses enge Temperaturfenster nicht eingehalten, kommt es bei niedrigeren Temperaturen, ungefähr bei 500 °C Aufheiztemperatur im Ofen, zu keiner Umformung in der Maschine. Es treten vielfach Risse auf.

Im Gegensatz dazu wird bei einer Erwärmung im Ofen oberhalb von 750 °C die Materialfestigkeit so weit herabgesetzt, dass das Material bei der anschließenden Umformung an der Einspannstelle durch die Stempelkraft stark aufgestaucht wird.

In Bild 4 ist ein charakteristischer Stempelkraftverlauf für den Bohrungsdrückprozess bei einer Probentemperatur zu Beginn der Umformung von circa 550 °C dargestellt.

Niedrigere Umformtemperaturen erfordern eine höhere Umformkraft

Die für die Umformung maximal benötigte Stempelkraft liegt hier für Titan bei 680 kN. Im Vergleich mit niedrigeren Probentemperaturen erhöht sich die Umformkraft bei etwa 350 °C signifikant. Ursache dafür ist die Stauchgrenze, welche von σ_0,2 = 500 N/mm² bei 500 °C auf σ_0,2 = 650 N/mm² bei 350 °C ansteigt. Eine Verringerung der Prozesstemperatur auf 350 °C hat deutlich erhöhte Prozesskräfte von etwa 870 kN zur Folge, was zum Ausknicken des Stempels führt.

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