P3: Umformtechnische Erzeugung von Druckeigenspannungen beim Drahtziehen für die Herstellung von hochbelastbaren Federn (DruDraZie)

Ergebnisse der 1. Projektphase

Ziel des Projektes ist es, durch spezielle Umformelemente in den Ziehwerkzeugen beim Drahtziehen über den Halbzeugquerschnitt einen Eigenspannungszustand zu erzeugen, der sich positiv auf die Herstellung von Torsionsstabfedern auswirkt. In der ersten Projektphase stand neben der Betrachtung der Umformmechanismen sowie dem Werkstoffverhalten im Speziellen das Potential zur Modifizierung der Eigenspannungen im Fokus. Mittels FE-Simulationen (Fließpressen, Drahtziehen) wurden verschiedene Kombinationen an konkaven und konvexen Geometrieelementen betrachtet und daraus geeignete Umformelemente abgeleitet. Für die experimentellen Untersuchungen konnte darauf aufbauend ein Drahtziehwerkzeug entwickelt und umgesetzt werden, parallel wurden Versuche mit einem Fließpresswerkzeug realisiert. In den FE-Simulationen und in den Experimenten erfolgte der Nachweis, dass mit den erarbeiteten Werkzeuggeometrien die Eigenspannungsverteilung über den Probenquerschnitt beeinflusst werden kann. Phasenspezifische Eigenspannungen wurden anhand röntgenographischer Beugungsexperimente bestimmt und mit metallographischen Untersuchungen die detektierte verformungsinduzierte Martensitbildung analysiert. Im Randbereich der Proben wurden Druckeigenspannungen nachgewiesen. Biegeversuche in einem eigens dafür im Projekt entwickelten Werkzeug dienen einerseits der Validierung der FE-Simulationen und andererseits zur Beurteilung des Einflusses der im Ziehprozess eingestellten Eigenspannungsverteilung auf den Biegeprozess. Weiterhin wurde mit der Untersuchung der Stabilität der Eigenspannungen begonnen.

Ziele der 2. Projektphase

Im Forschungsvorhaben ist geplant, die bisher erarbeiteten Mechanismen zur Modifikation der Eigenspannungsverteilung anzuwenden und auf einen Demonstrator (Torsionstabfeder) zu übertragen. Ausgehend von den anzustrebenden Spannungszuständen im Demonstrator zur Realisierung der gewünschten minimalen Biegeradien erfolgt die Ableitung des zu erreichenden Eigenspannungszustandes im Halbzeug. Unter Kombination einzelner Umformmechanismen innerhalb eines Umformprozesses aber auch unter Betrachtung von zweistufigen Drahtziehprozessen, soll die Einstellung des Eigenspannungszustandes zu einem Optimum geführt werden. Für die Validierung der FE-Simulationen können die Ergebnisse der Kraft- und Wegverläufe aus den Experimenten sowie Daten aus der röntgenographischen Ermittlung der Eigenspannungen der Proben genutzt werden. Um die Validierung zu verbessern, ist es ein Ziel, die detektierte verformungsinduzierte Phasenumwandlung in der FE-Simulation auf der Basis von tiefenaufgelösten Eigenspannungsmessungen und weiteren Materialuntersuchungen abzubilden. Mittels Schwingversuchen an gezogenen und gebogenen Drähten wird die Stabilität der Eigenspannungen unter dynamischer Belastung experimentell quantifiziert. Weiterhin ist die Analyse der Relevanz von Störgrößen, wie z. B. von Schwankungen in den Materialchargen oder Werkzeugverschleiß in den FE-Simulationen und in den Experimenten Gegenstand der Untersuchungen.

Ansprechpartner

IWU - Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik

Projektleitung P3.A
Dr.-Ing. Markus Bergmann

Projektbearbeiter
René Selbmann

UFF - Professur Umformendes Formgeben und Fügen

Projektleitung P3.B
Prof. Dr.-Ing. habil. Verena Kräusel

Projektbearbeiter
Markus Baumann

Fachgebiet Metallische Werkstoffe

Projektleitung P3.C
Prof. Dr. Walter Reimers

Projektbearbeiter
Mateus Dobecki, Dr. Katrin Brömmelhoff