UMFORMtechnik (Massiv)

 
 
   

Dünnere Wände bei höherer Materialfestigkeit

Innen-Drückwalzen ist ein noch junges Verfahren, bei dem die Wanddicke handelsüblicher Stahlrohre verändert wird. Bearbeitet wird nur die Innenseite. Der Werkstoff fließt in Längsrichtung. Das Rohraußenmaß bleibt konstant. Die Zugfestigkeit steigt durch Kaltverfestigung bis zu 80 %.

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Thinner walls and higher material strength

Internal roller-spinning is a young process which reduces the wall thickness of commercially available steel tubes. Only the inside is machined. The material flows in longitudinal direction. The outer dimension remains constant. The tensile strength increases by up to 80% due to strain hardening.

Leichtbau hilft bei Konstruktionen mit bewegten Massen, die Bewegungsperformance und Effizienz der Produkte zu verbessern. Insbesondere steigende Materialkosten und der verantwortungsvollere Umgang mit Ressourcen erfordern dies. Beim Leichtbau basierend auf Stahllösungen können solche Ziele fast ideal durch Verwendung so genannter „Tailored Produkte“ erreicht werden. Hier wird der Werkstoff im Bauteil durch definierte lokale Anpassung der mechanischen und geometrischen Eigenschaften an die Anforderungen bestmöglich genutzt. Projiziert auf Stahlrohre und -profile begründet sich hiermit hohe Nachfrage hinsichtlich der Wanddicken-Kontur beziehungsweise der lokalen Werkstoffeigenschaft angepasster Halbzeuge. Ziel des zugrunde liegenden Vorhabens war daher, die Herstellung ebensolcher Rohre aus Stahlwerkstoffen mit Hilfe des Innen-Drückwalzens (IDW) zu untersuchen. 

Die Wanddicke handelsüblicher Stahlrohre wird beim IDW durch innenseitiges Walzen in Längsrichtung der Rohre reduziert. Die Kontur wird dabei nur an der Rohrinnenseite abgebildet. Der Außendurchmesser bleibt unverändert, was die Weiterverarbeitung des erzeugten Halbzeugs – etwa durch Hydroformen – immens erleichtert. Durch diese neue prozessgeführte Fertigungstechnik werden bislang innenseitig nicht realisierbare Wanddicken-Reduktionen erreicht, wobei die Rauigkeit der bearbeiteten Oberfläche deutlich verbessert wird. Zudem werden die mechanischen Werkstoffkennwerte verbessert: Zugfestigkeit und Härte des bearbeiteten Werkstoffes werden um bis zu 70 % durch Kaltverfestigung gesteigert. Wegen Verfahrensanalogien zum Zylinder-Drückwalzen sind verbesserte Formtoleranzen des innendrückgewalzten Rohres zu erwarten. Die geforderte Wanddickenreduzierung wird prozessgesteuert über das Einstellen des Spaltes zwischen Walzwerkzeug und der am Außendurchmesser des Rohres liegenden Matrize erzeugt. Hierdurch können schon kleine Losgrößen und Prototypen wirtschaftlich hergestellt werden. Zusätzlich erhöht die kompakte Bauweise der Innendrückwalzmaschine, die aufgrund des selbstkompensierenden Verfahrenskraftverlaufes möglich ist, die Kosteneffizienz. 

Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass durch das Innendrückwalzen Hohlprofil-Geometrien aus Stahl herstellbar sind, die bisher nur mit hohem Aufwand hergestellt werden konnten und ein großes Potential für den Leichtbau haben. Weitere Untersuchungen sollen Aufschluss über den Einfluss der Prozessparameter auf Bauteileigenschaften und die Verfahrensgrenzen geben, um die Prozessführung zu optimieren. Zudem sollen neue Werkzeugkonzepte erarbeitet werden, mit dem Ziel, die Formgebungsmöglichkeiten und Prozessgrenzen zu erweitern.

So konnte nachgewiesen werden, dass das IDW einzigartige flexible Möglichkeiten bietet, wandstärkenveränderliche (konturierten) Stahlrohre mit konstantem Außendurchmesser respektive mit definiert konturierter Außenkontur herzustellen. Dabei ist hervorzuheben, dass mit dem IDW lokale Wandstärken-Reduktionen bis zu 80 % möglich sind. Dies macht den Einsatz spezieller Prozessstrategien und Werkzeugsysteme erforderlich, die im Vorhaben – basierend auf entsprechenden grundlegenden Untersuchungen – entwickelt werden konnten. Die Leistungsfähigkeit des IDW wurde auch anhand der Fertigung von ausgesuchten Demonstratoren nachgewiesen. So konnte zum einen bei der Herstellung von innenhochdruckumgeformten Werkstücken (IHU-Bauteilen) für Abgasbehandlungs-Anlagen durch wanddickenangepasste und durch das IDW gefertigter Halbzeuge großes Potenzial zur Kosteneinsparung aufgezeigt werden. Damit konnte hier das erforderliche Halbzeuggewicht aus dem hochtemperaturfesten Edelstahl 1.4835 um 20 % im Vergleich zum Serienbauteil gesenkt werden. 

Zum anderen konnten anhand der Fertigung von Lagersitzen an Rohren neben einer Materialersparnis durch die mit dem IDW mögliche Netshape-Fertigung auch Zerspanungsprozesse und damit Kosten eingespart werden. Das Ergebnis der Untersuchungen zeigt, dass das Innen-Drückwalzen besonderes Potential hat für die wirtschaftliche Herstellung von wandstärken- und eigenschaftsveränderlichen Halbzeugen und auch bei der Bearbeitung von Bauteilen aus Stahl als Basis für einen kosteneffizienten Leichtbau. Potentielle Anwendungsbereiche ergeben sich neben dem Fahrzeugbau auch in der Luft- und Raumfahrttechnik, in der Textilindustrie und natürlich dem allgemeinen Maschinenbau.

Das IGF-Vorhaben 17753 N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (Fosta), Düsseldorf, wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde an der Fakultät für Maschinenbau, Lehrstuhl für Umformende und Spanende Fertigungstechnik, der Universität Paderborn durchgeführt. 

Universität Paderborn
Lehrstuhl für Umformende und Spanende Fertigungstechnik (LUF)
Warburger Straße 100
33098 Paderborn
Ansprechpartner ist Werner Homberg
Tel.: +49 5251 60-0
wh@luf.upb.de
www.luf.upb.de