P6: Gezielte Einstellung von Eigenspannungen während der Kaltmassivumformung

Gesamtziel des Projekts ist die grundlegende wissenschaftliche Analyse des Einflusses durch Kaltmassivumformung eingebrachter Eigenspannungen auf die Beanspruchbarkeit von Bauteilen aus austenitischen Stählen. Dabei sollen durch eine mehrstufige Prozessführung während der Kaltumformung gezielt lokale Eigenspannungen erzeugt, deren Entwicklung über die Prozessschritte hinweg sowie die Stabilität und der Einfluss der Eigenspannungen auf die Steigerung der Beanspruchbarkeit unter zyklischer Bauteilbelastung untersucht werden. Besondere wissenschaftliche Herausforderungen stellen dabei die Berücksichtigung der Eigenspannungsentwicklung bei mehrstufigen Fertigungsprozessen sowie der Einfluss umformbedingter Phasenumwandlungen dar. Als Demonstratorbauteile wurden Schrauben aus austenitischen Stählen gewählt. Die Forschungsprogrammatik sieht eine schrittweise steigende Komplexität der Prozesse von einfachen Biegeversuchen zu mehrstufigen, teilweise inkrementellen Prozessen der Massivumformung vor.

Ergebnisse der 1. Projektphase

Während der ersten Phase standen grundlegende Untersuchungen zur Erzeugung, Beeinflussung, experimentellen Erfassung und Auswirkung von Eigenspannungen in Kaltumformprozessen im Fokus. Ebenso waren die für die Simulationsmodelle erforderlichen statischen und zyklischen Werkstoffkennwerte für die verwendeten austenitischen Stähle zu generieren. Erarbeitete Simulationsmodelle zur Abbildung der Umformprozesse und der resultierenden Eigenspannungen sowie deren Stabilität bei zyklischer Beanspruchung konnten erfolgreich zur Vorhersage des Werkstück- bzw. Bauteilverhaltens genutzt werden. Hier zeigte eine gute Übereinstimmung zwischen den am Biegebauteil gemessenen Eigenspannungen und der Simulation.

Bei der röntgenographischen Eigenspannungsanalyse stellten sich Einflüsse der Werkstoff-Mikrostruktur sowie durch die Umformung bewirkter Gefügeveränderungen der austenitischen Stähle als wichtige Einflussgrößen heraus, die für eine zuverlässige Analyse berücksichtigt werden müssen. Es wurden erfolgreich Messstrategien und Beurteilungskriterien entwickelt, um trotz grobkörniger und anisotroper Gefüge die Qualität der Messergebnisse sicherzustellen. Eigene Ergebnisse ließen sich durch die Mitarbeit an einem Laborvergleich zur Eigenspannungsmessung an austenitischem Stahl innerhalb des Fachkreises „Produktionstechnik dickwandig“ verifizieren.

Durch die Entwicklung eines Werkzeugsystems, das während des Voll-Vorwärts-Fließpressens durch den aktiven Einsatz eines gesteuerten Gegenstempels eine Druckkraft auf das umzuformende Bauteil ausübt, konnte im hochbeanspruchten Randzonenbereich der Bauteilprobe ein signifikant günstigerer Eigenspannungszustand erzielt werden. Die Simulation der Eigenspannungen zeigt gute Übereinstimmung mit den durchgeführten Messungen. Damit wird der Einsatz eines Gegenstempels als aktives Element beim Voll-Vorwärts-Fließpressen als wirkungsvolle Methode zur gezielten Verbesserung des Eigenspannungszustands belegt.

Ziele der 2. Projektphase

In der zweiten Projektphase soll ein umfassendes quantitatives Verständnis zu den Einflussfaktoren aus Prozessgrößen und Werkstoffzustand auf die Bauteileigenschaften und die zu erzielenden Eigenschaftsverbesserungen aufgebaut werden. Ebenso steigen die Komplexität der umzuformenden Bauteile bzw. der Umformverfahren und deren Verkettung an. Unter Zuhilfenahme der entwickelten rechnerischen und experimentellen Methoden soll die Stabilität der Eigenspannungen über die Prozessschritte hinweg sowie im Hinblick auf eine Erhöhung der Beanspruchbarkeit beziffert werden. Ebenso wird der Einfluss werkstoff- und prozessbedingter Störgrößen auf die resultierenden Bauteileigenschaften nach dem Umformen mittels statistischer Methoden beschrieben.

Neben dem gezielten Einstellen der Eigenspannungen und der Analyse des Einflusses des Eigenspannungszustands auf das Ermüdungsverhalten soll auch das Werkstoffspektrum erweitert werden.

Ansprechpartner

Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU)

Projektleitung P6.A
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche

Projektbearbeiter
Alessandro Franceschi

Zentrum für Konstruktionswerkstoffe (MPA/IfW)

Projektleitung P6.B
Dr.-Ing. Holger Hoche

Projektbearbeiter
Benjamin Schork