Projekt 35857/01

Weiterentwicklung einer Methodik zur Absicherung der Verfahrensgrenzen beim Querkeilwalzen zwecks Steigerung der Ressourceneffizienz in der Massivumformung

Projektdurchführung

Industrieverband Massivumformung e. V.
Goldene Pforte 1
58093 Hagen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Querkeilwalzen (QKW) ist ein besonders geeignetes Massivumformverfahren zur Herstellung materialeffizienter Vorformen. Allerdings können neben Oberflächenfehlern vor allem innere Defekte in Form von Rissen und Hohlräumen auftreten, die unter dem Begriff Mannesmann-Effekt bekannt sind und deshalb besonders kritisch sind, weil sie bei der Massenproduktion nicht erkannt werden.
Ziel des Vorhabens ist die Steigerung der Ressourceneffizienz in der Massivumformung durch Entwicklung eines sicheren Auslegungskriteriums für Querkeilwalzwerkzeuge auf Basis von Prozesskennfeldern, mit dem eine Materialschädigung infolge des Mannesmann-Effektes vermieden wird. Hiermit soll ein signifikanter Beitrag zur Umweltentlastung geleistet werden, indem die Ressourcenpotentiale des Querkeilwalzens bis an die Grenzen ausgenutzt werden.
Das Thema wurde in dem DBU-Projekt “Steigerung der Ressourceneffizienz in der Massivumformung durch Absicherung und Erweiterung der Verfahrensgrenzen beim Querkeilwalzen, Az: 33234/01 bearbeitet. Im Rahmen des abgeschlossenen Vorhabens wurde das Wissen und Verständnis um die Ursachen und Einflüsse auf die Kernrisse wesentlich erweitert, auch um die Tatsache, dass die Anzahl der wesentlichen Einflussgrößen noch um den Werkzeug-Faktor „Umformender Werkzeugbereich“ ergänzt werden muss.
Die Untersuchung, Bewertung und die Berücksichtigung dieses neuen Einflussparameters in den Arbeitskennfeldern sind der Inhalt des hier bearbeiteten Vorhabens. Durch diese weiterführenden Untersuchungen werden die schon im vorrangegangenen Vorhaben Az: 33234/01 gestellten Ziele erweitert und die gewünschte Potentialausschöpfung des Querkeilwalzens ermöglicht.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEin erfolgversprechender und praxisorientierter Weg ist, dass die fehlerfreie Auslegung von QKW-Werkzeugen auf der Grundlage von Prozesskennfeldern erfolgt, die unter Nutzung der Methoden der Ähnlichkeitsmechanik mit deutlich reduziertem Versuchsaufwand auf halbempirischem Weg ermittelt werden. Dieser Weg wurde und wird bei vielen Problemen in Physik und Technik, bei denen aufgrund der Komplexität der betrachteten Vorgänge keine abgesicherte und mathematisch formulierbare Theorie vorliegt, erfolgreich angewendet. Die wesentlichen physikalischen Einflussparameter können hierbei durch dimensionslose Ähnlichkeitsvariablen direkt identifiziert werden.
Diese Vorgehensweise wurde in dem DBU-Projekt “Steigerung der Ressourceneffizienz in der Massivumformung durch Absicherung und Erweiterung der Verfahrensgrenzen beim Querkeilwalzen, Az: 33234/01 erfolgreich durchgeführt. Die Untersuchung des neu identifizierten und somit in der Bearbeitung bisher fehlenden Einflussfaktors bedingt einen Versuchsablauf, welcher eine streng differenzierte Betrachtung und Bewertung des Einflusses der verschiedenen umformenden Werkzeugbereiche ermöglicht.
Die geplanten Arbeiten im Einzelnen:
AP1 Entwicklung und Test eines geeigneten Versuchsablaufs und Werkzeuggeometrie
AP 2 Versuchsdurchführung für insgesamt 3 unterschiedliche Stahl Werkstoffe
AP 3 Design der Kennfelder für die verschiedenen Werkstoffe
AP 4 Stichversuch an einem Aluminium-Werkstoff
AP 5 Ergänzung/Vervollständigung des Anwenderleitfadens




Ergebnisse und Diskussion

Zu AP1: Auf Basis des abgeschlossenen DBU-Projektes “Steigerung der Ressourceneffizienz in der Massivumformung durch Absicherung und Erweiterung der Verfahrensgrenzen beim Querkeilwalzen, Az: 33234/01 wurde ein Versuchsablauf mit einer geeigneten Werkzeug- und Bauteilgeometrie entwickelt, der eine streng differenzierte Betrachtung und Bewertung des Einflusses der verschiedenen umformenden Werkzeugbereiche ermöglicht. Das unter diesen Anforderungen entwickelte Walzwerkzeug bedingt den Einsatz von vorgefertigten Walzproben. Durch die Vorbearbeitung der Walzproben wird eine ausschließliche Umformung im Schulterbereich der ausgewalzten Werkstücke gewährleistet.

Zu AP2 bis AP5: Für drei Stahlwerkstoffe werden die notwendigen Versuche zur Erstellung der jeweiligen Arbeitskennfelder durchgeführt. Die Basis der Arbeitskennfelder bildet die dimensionslose Variable n, die ein Maß für die Anzahl der Überrollungen und Belastung eines reduzierten Bauteilbereichs darstellt und dadurch eine Abschätzung der Gefahr und Größenordnung von Innenrissen ermöglicht. Die Variable n ist eine Funktion von bauteil- und werkzeugspezifischen Einflussgrößen. Aus den Kennfeldern wird jetzt auch der Einfluss der unterschiedlichen Bereiche der Werkzeuggeometrie auf die Bildung von Innenrisse ersichtlich. Die Aussagequalität der Kennfelder wird durch die Validierungsergebnisse aus dem Vorgängerprojekt bestätigt.




Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Zusammenhang mit dem Vorgängerprojekt erfolgte die Verbreitung der Projektziele in nachfolgender Weise: Fachzeitschrift „Stahl und Eisen“, Ausgabe 5/2017, „Impuls, Hochschulzeitung der FH Südwestfalen“, Ausgabe 5/2017 und „Iserlohner Kreisanzeiger (IKZ)“, Ausgabe 27.04.2017.
Im Juni/2019 erfolgte die Präsentation der Ergebnisse auf der Jahrestagung „Massivumformung“ des IMU. In der Zeitschrift massivUMFORMUNG erfolgte ein Fachaufsatz „Voraussage der Kernrissinitiierung in Querwalzprozessen“ im September 2019. In der IMU-Faktendatenbank wurde 2019 das Projekt erstmals dargestellt und im Dez. 2022 mit den erweiterten Ergebnissen aktualisiert.
Im Feb.2020 erfolgte ein Vortrag auf der VDI-Fachtagung, Düsseldorf
In 2023 ist die Verbreitung der Vorhabensergebnisse in nachfolgender Weise vorgesehen: Fachaufsatz in der Zeitschrift massivUMFORMUNG




Fazit

Die im Vorgängerprojekt erarbeitete Methodik zur Erstellung von Arbeitskennfelder für die Auslegung von QKW-Werkzeugen/-prozessen wurde um den Werkzeug-Faktor „Umformender Werkzeugbereich“ ergänzt.
Mit der jetzt vollständigen Vorgehensweise können auf Basis einer dimensionslosen Variablen Arbeitskennfelder für die Auslegung von QKW-Werkzeugen/-prozessen für die Vorformfertigung erstellt werden. Die Vorgehensweise wurde erfolgreich an 3 Stahlwerkstoffen und einer Aluminiumlegierung durchgeführt.
Die Kennfelder bilden hinsichtlich der Bildung von Innenfehlern ein sicheres Auslegungskriterium für Querkeilwalzwerkzeuge und ermöglichen die Optimierung der gewichtsrelevanten Walzteilgeometrie.