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Halbwarmumformung

Erhöhte Temperatur verbessert Umformung hochfester Alu-Blechwerkstoffe

| Autor/ Redakteur: Michael Frenzel, Mathias Liewald, Dina Becker, Fritz-Otto Sinn / Stefanie Michel

Für Blechwerkstoffe aus Aluminium kommen zunehmend aushärtbare 7000er Legierungen mit hohem Zinkgehalt zum Einsatz. Diese lassen sich jedoch nur sehr begrenzt umformen. Mit der Erhöhung der Umformtemperatur verbessert sich die Umformbarkeit und die Bauteilqualität sichtbar.

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Bild 1: Der Näpfchenziehversuch zeigt, dass hochfeste Blechwerkstoffe aus Aluminium bei einer Temperatur um 200 °C eine deutlich bessere Umformbarkeit aufweisen (rechts) als bei Raumtemperatur (links).
Bild 1: Der Näpfchenziehversuch zeigt, dass hochfeste Blechwerkstoffe aus Aluminium bei einer Temperatur um 200 °C eine deutlich bessere Umformbarkeit aufweisen (rechts) als bei Raumtemperatur (links).
(Bild: IFU Stuttgart)

Seit Jahrzehnten werden Blechwerkstoffe aus Aluminium industriell eingesetzt und umgeformt. Aufgrund der geringen Dichte und dennoch hervorragenden mechanischen Eigenschaften dieser Werkstofffamilie steigt das Interesse der Industrie an Technologien zu deren effizienter Verarbeitung. Im Strukturleichtbau werden zunehmend höchstfeste Legierungen eingesetzt, wie vor allem Beispiele aus der Luftfahrt- und Automobilindustrie belegen.

Legierungen mit hohem Zinkgehalt nur begrenzt umformbar

Neben den bisher üblichen Legierungen der 6000er-Familie mit Magnesium- und Siliziumanteilen sowie der 5000er Familie mit hohem Magnesiumanteil werden zunehmend aushärtbare 7000er Legierungen mit hohem Zinkgehalt eingesetzt. Diese besitzen zwar vor allem im ausgehärteten Zustand enorme Festigkeiten, lassen sich jedoch nur sehr begrenzt umformen.

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Ein weiteres Problem bei diesen Legierungen stellt die Rückfederung dar. Aufgrund des geringeren Elastizitätsmoduls von Aluminium von nur etwa 70 GPa im Vergleich zu Stahl (210 GPa) steigt die Rückfederung von Bauteilen aus höchstfestem Aluminium bei gleichen Festigkeitseigenschaften deutlich über die der Stahlwerkstoffe.

Um die Umformbarkeit und die Bauteilqualität von Aluminiumbauteilen aus Blech zu verbessern, wurde im Rahmen einer Untersuchung die Umformtemperatur in den Bereich von 180 bis 250 °C erhöht. Die dadurch deutlich geringere Fließspannung führte zu reduzierten Umformkräften und einer geringeren Rückfederung. Zudem verbessern sich die Fließeigenschaften des Werkstoffes. Zur Quantifizierung dieses Effektes wurden Zugversuche des hochfesten Aluminiumwerkstoffes AW7075-T6 bei Raumtemperatur und bei 200 °C unter 0° zur Walzrichtung gegenübergestellt.

Verbesserte Fließeigenschaften aufgrund eines erhöhten r-Werts

Die verbesserten Fließeigenschaften ergeben sich aus einem erhöhten r-Wert, der das Verhältniss des Werkstoffflusses aus der Probenbreite zum Werkstofffluss in Dickenrichtung wiedergibt. Während die Probe bei Raumtemperatur kaum einschnürt und spröde versagt, fließt der Werkstoff bei 200 °C im Vergleich dazu deutlich mehr aus der Breite und zeigt eine Einschnürung vor dem Bruch (Bild 2).

Neben den Werkstoffeigenschaften entscheiden auch tribologische Randbedingungen über die Umformbarkeit im Prozess. Im Temperaturbereich von 150 bis 250 °C versagen viele ölbasierte Schmierstoffe. Im Rahmen eines ZIM-Projektes wurde gemeinsam mit der Oest-Gruppe aus Freudenstadt ein Schmierstoff für diesen Temperaturbereich entwickelt und in Versuchen validiert. Dieser reduziert die starke Adhäsion, die Aluminiumwerkstoffe bei hohen Temperaturen aufweisen.

Werkzeugoberfläche hat Einfluss auf Adhäsion des Blechwerkstoffes

Im Rahmen dieses Projektes wurden durch Streifenziehversuche auch Reibungszahlen verschiedener Schmierstoffe bei 150 °C, 200 °C und 250 °C sowie bei unterschiedlichen Werkzeugrauhigkeiten aufgenommen. Dabei hat sich gezeigt, dass die Werkzeugoberfläche einen entscheidenden Einfluss auf die Adhäsion des Blechwerkstoffes am Werkzeug hat.

Mit geschliffenen Werkzeugoberflächen (Rauigkeit Ra≈0,2-0,3) kam es bei einigen Schmierstoffen zur Adhäsion, während bei polierten Werkzeugen (Rauigkeit Ra≈0,1) alle Schmierstoffe gute Ergebnisse geliefert haben. Bis 200 °C steigen die Reibungszahlen der untersuchten Schmierstoffe an, bei 250 °C sinkt die Reibungszahl jedoch wieder. Dies deutet darauf hin, dass Polymere im Schmierstoff beginnen aufzuschmelzen. Temperaturen über 250 °C sollten hingegen nur kurz wirken.

Um die Schmierstoffe näher zu betrachen, führten die Forscher im Rahmen dieses Projektes ebenfalls Näpfchenziehversuche bei Raumtemperatur und bei 200 °C durch. Bild 3 zeigt einige der dabei hergestellten Näpfe. Während sich bei AA6016 das Grenzziehverhältnis und damit auch die maximal erreichbare Napfhöhe bei 200 °C im Vergleich zur Raumtemperatur sogar verringerte, zeigten sich bei AW7075 ein erhöhtes Grenzziehverhältnis von 1,4 bei 20 °C und 1,8 bei 200 °C. Der bei 200 °C hergestellte Napf war damit doppelt so hoch als der bei Raumtemepratur gefertigte.

Mit steigender Temperatur zeigt sich höheres Grenzziehverhältnis

Den Einfluss der Umformtemperatur auf die Rückfederung untersuchten die Projektpartner ebenfalls. Dafür wurden die Näpfe in Ringe geschnitten und diese anschließend geöffnet. Die dabei freigesetzte innere Spannung konnte als Ringauffederung anschließend vermessen werden (Bild 4). Die rechts gezeigten Ringe stammen aus dem warm umgeformten Napf und zeigen eine maximale Auffederung d von 39 mm. Dies liegt etwa auf dem Niveau eines kalt umgeformten Napfes aus AA6016. Die links dargestellten Ringe sind aus dem kalt umgeformten Napf herausgetrennt und federn maximal 110 mm auf. Ebenfalls erkennbar ist die unterschiedliche Auffederung in Abhängigkeit von dem Abstand der Ringe zum Napfboden. Dies lässt sich mit den Spannungsunterschieden zwischen Stempel- und Matrizenseite des Napfes erklären.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die hochfesten Aluminiumlegierungen der 7000er Familie im Temperaturbereich um 200 °C eine deutlich gesteigerte Umformbarkeit besitzen. Bei der vorgestellten Legierung AW-7075 T6 konnten bei 200 °C ähnliche umformtechnische Grenzen ermittelt werden wie bei der Kaltumformung von AA6016.

Literatur

  • [1] van den Boogaard, A. H. (2002): Thermally Enhanced Forming of Aluminium Sheet. University of Twente, Dissertation
  • [2] Dörr, J. (2011): Semi-hot and hot forming of conventional and high-strength aluminium alloys. Bad Nauheim, Umformen im Karosseriebau
  • [3] Heller, C. (1992): Umformen von Aluminiumblechen bei erhöhten Temperaturen. Technische Hochschule Darmstadt, Dissertation
  • [4] Liewald, M. und R. Schleich (2010): Development of an anisotropic failure criterion for characterising the influence of curvature on forming limits of aluminium sheet. in: International Journal of Metal Forming 1. Heidelberg: Springer Verlag, S.1175-1178
  • [5] Xia, Z.C., C.E. Miller und F. Ren (2004): Springback Behavior of AA6111-T4 with Split-Ring Test. in: Numiform Conference Proceedings. Melville: American Institute of Physics.

* Dipl.-Ing. Michael Frenzel leitet die Abteilung Blechumformung des Instituts für Umformtechnik der Universität Stuttgart, Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald ist Leiter des Instituts, Dr. -Ing. Dina Becker ist dort Mitarbeiterin in der Abteilung Blechumformung; Fritz-Otto Sinn ist Produktmanager bei der Georg Oest Mineralölwerk GmbH & Co. KG.

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