Warmumformung

Die Umformung mit Schallwellen verfolgen

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Das Versuchsfeld des Lehrstuhls für Umformtechnik wurde für eine Welle mit einem Flansch konfiguriert und besteht aus einer hydraulischen 1000-kN-Presse, einer Induktionserwärmung mit einem Mittelfrequenzumrichter (5 bis 15 kHz) und einer Leistung von 60 kW sowie einer elektropneumatisch gesteuerten Werkstücktransfereinrichtung mit einer Vorrichtung zum Klemmen und Rotieren des Werkstücks. Die Werkstücktemperatur während Erwärmung, Transfer, Umformung und Abkühlung wird thermographisch über eine Kamera und lokal über ein Pyrometer erfasst.

Modulares Werkzeugdesign ermöglicht hohe Flexibilität

Das Werkzeug (Bild 1) ist modular ausgelegt und besteht aus einer Aufnahme für die Aktivkomponenten, die auf einfache Weise ausgetauscht werden können. So können einerseits sukzessive komplexere Formen und andererseits neue Werkzeugwerkstoffe und Werkzeugbeschichtungen auf ihren Einfluss im Prozess untersucht werden. Das Werkzeug übernimmt neben der Geometrieeinstellung im Warmumformbereich zudem die Aufgabe der Kontaktkühlung.

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Dazu sind zwei Varianten vorgesehen: in der ersten Variante, die durch eine passive Kühlung gekennzeichnet ist, erfolgt die Wärmeabfuhr allein über das Werkzeug. Dies birgt jedoch den Nachteil, dass bei einem hohen Durchsatz die Werkzeugtemperatur ansteigt. In der zweiten, aktiv gekühlten Variante ist das Werkzeug mit Kühlkanälen, durch die das Kühlwasser mit einer Temperatur von 20 °C fließt, ausgestattet. Dadurch wird eine stete Werkzeugtemperaturzunahme vermieden und die Kühlleistung gesteigert.

Beschleunigte Abkühlung durch Wärmeleitung während des Werkzeug-Werkstück-Kontaktes

Der generelle Versuchsablauf umfasst die partielle induktive Erwärmung, die automatisierte Positionierung des Werkstücks in das Werkzeug sowie den Umform- und integrierten Abkühlvorgang. Je nach Konfiguration des Werkzeugs sind unterschiedliche Abkühlstrategien möglich. Während des Werkstücktranfers, der Positionierung und zu Beginn des Umformvorgangs, bei dem im Wesentlichen eine freie Umformung des erwärmten Bereiches stattfindet, treten Wärmeverluste infolge von Strahlung und freier Konvektion auf. Eine beschleunigte Abkühlung durch Wärmeleitung erfolgt während des intensiven Werkzeug-Werkstück-Kontaktes. Nach dem Entlasten und Auswerfen des Werkstücks treten nur noch konvektive Wärmeverluste auf. Die durchgeführten Umformversuche erfolgten mittels aktiver und passiver Werkzeugkühlung sowie mit Schließzeiten von 4 und 28 s.

Produkte mit Mehrfachnebenformelementen (Bild 2) sind dabei allein durch die ortsvariable Temperaturverteilung mit einfachen Prozesshilfsmitteln erreichbar. Bild 3 stellt die resultierenden Härteprofile der durchgeführten Umformversuche dar. Es zeigt sich ein signifikanter Einfluss der Kontaktzeit zwischen Werkzeug und Werkstück auf die maximal erzielbare Oberflächenhärte. Die Art der Werkzeugkühlung beeinflusst wesentlich die Einhärttiefe.

Mikrostruktur wird mit akustischer Kamera überprüft

Dieser Einfluss auf die Geometrie-eigenschaften lässt sich mittels der akustischen Kamera erfassen und ist durch eine farbcodierte Darstellung des Effektivwertes des Schalldrucks nach dem Umformversuch darstellbar. Die Abklingkurven des resultierenden akustischen Signals sowie die entsprechenden Dämpfungskonstanten sind in Bild 4 aufgezeigt. Diese Ergebnisse spiegeln die zuvor gezeigten Härtewerte wider. Die Bildung gehärteter Gefügebereiche führt zu einer Steigerung der akustischen Dämpfung infolge der Bildung martensitischer Gefügestrukturen während des Umformprozesses. Die akustische Dämpfungskonstante steigt mit der zunehmenden Einhärttiefe und somit mit dem Anteil an martensitischer Phase im untersuchten Probenbereich an.

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