Stahl-Aluminium-Hybridteile mittels Massivumformung herstellen

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Leibniz Universität Inst. für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM)

Mit steigender Temperatur des Stahlhohlzylinders vergrößert sich dieses Prozessfenster bis auf ein theoretisches Maximum mit den Grenzen, die sich aus den zuvor festgelegten Randbedingungen ergeben (Tmax,Al beziehungsweise Tmin,Al von Aluminium). Zur Definition eines realen Prozessfensters werden zurzeit mit Hilfe von Dilatometermessungen experimentell ermittelte, temperaturabhängige Längenausdehnungskoeffizienten aufgenommen.

Erwärmungsstrategie ist von großer Bedeutung

Das Erwärmungskonzept und das ermittelte Prozessfenster beinhalten die direkte Erwärmung in der Umformmaschine. Hierdurch wird die Handhabung des hybriden Rohteils vereinfacht und eine exakte Positionierung garantiert. In Bild 5 ist das Umformwerkzeug mit integrierter Erwärmungsvorrichtung dargestellt.

Zur Durchführung des Umformprozesses muss die Induktionsspule (Induktor) vor Beginn der Umformung aus der Umformmaschine entfernt werden. Hierfür ist ein Induktionsgenerator mit flexiblem Außenschwingkreis vorgesehen.

Der Außenschwingkreis ist über Kühlwasser- und Stromanschlüsse beweglich mit dem Generator verbunden. Die Induktionsspule wird starr an dem Außenschwingkreis befestigt.

Zeit zwischen Erwärmung und Umformung des Stahl-Aluminium-Hybridbauteils berücksichtigen

Nach der Positionierung des hybriden Rohteils auf dem Unterwerkzeug wird das Rohteil mit Hilfe des Auswerfers vertikal nach oben in die Induktionsspule verfahren. Anschließend erfolgt die definierte, inhomogene Erwärmung des hybriden Bauteils.

Bei Erreichen des geforderten Temperaturgradienten wird das Unterwerkzeug nach unten verfahren und der Außenschwingkreis mit dem Induktor aus dem Pressenraum entfernt. Im Anschluss erfolgt der Schmiedeprozess, wobei die Zeit zwischen Ende der Erwärmung und Beginn der Umformung und somit die Abkühlung der Probe berücksichtigt wird.

Geforderte Temperaturverteilung bei der Stahl-Aluminium-Umformung erreichbar

Bei der umfomtechnischen Herstellung hybrider Bauteile aus einer Stahl-Aluminium-Kombination kommt der Konzeptionierung des Verfahrens und insbesondere der Erwärmungsstrategie eine besondere Rolle zu. Die Ergebnisse der durchgeführten experimentellen Erwärmungsversuche zeigen, dass die geforderte Temperaturverteilung umgesetzt werden kann.

Durch die Größe des Luftspalts und die Abstimmung der Werkstoffmassen aufeinander wurde die Temperatur im Aluminium gezielt beeinflusst. Für die induktive Erwärmung ist vorgesehen, die Leistung des Induktionsgenerators während der Erwärmung gezielt zu regeln, um die Stahlmanteltemperatur konstant auf der gewünschten Umformtemperatur zu halten, während der Aluminiumkern weiter durch Wärmestrahlung erwärmt wird und so ein definiertes Temperaturprofil eingestellt wird.

Das Forschungsprojekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft innerhalb des Graduiertenkollegs „Herstellung, Bearbeitung und Qualifizierung hybrider Werkstoffsysteme (GRK 1378)” unterstützt.

Literatur:

[1] Doege, E., Behrens, B.-A.: Handbuch Umformtechnik, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 2006

[2] N. N.: Induktive Erwärmung, Rheinisch-Westfälisches Elektrizitätswerk AG, 1984

[3] Westhof, J.: Dissertation, Universität Hannover, Deutschland, 1991.

[4] Behrens, B.-A., Holz, F.: Verbundschmieden hybrider Stahl-Aluminium-Bauteile, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Seiten 599-603, Nr. 39 Heft 9, 2008

Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens ist seit Februar 2004 Leiter des Instituts für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz-Universität Hannover in 30823 Garbsen. Dipl.-Ing. Klaus-Georg Kosch und Dipl.-Ing. Christian Buse sind wissenschaftliche Mitarbeiter in den Abteilungen Massivumformung und CA-Techniken am Institut

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