UMFORMtechnik (Massiv)

 
 
   

Kombinierte Umformung und Wärmebehandlung auslegen

„Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ heißt das Projekt, innerhalb dessen Institute der RWTH Aachen University derzeit forschen. Untersucht wird das simulationsgestützte Auslegung einer kompletten Prozesskette zur Herstellung eines Getriebebauteils.

For our English speaking readers:
Designing combined forming and heat treatment process?
The Institutes at RWTH Aachen University are currently working on a project entitled “Integrative Production Technology for High-Wage Countries”. They are exploring the simulation-aided design of a complete process chain for the production of a transmission component.

Im Rahmen des Exzellenzclusters EXC 128 „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ forscht das Institut für Bildsame Formgebung (IBF) der RWTH Aachen University zusammen mit den Projektpartnern IEHK, WZL und Access e.V. - ebenfalls RWTH Aachen University -  an der simulationsgestützten Auslegung der kompletten Prozesskette zur Herstellung eines Getriebebauteils. Am IBF wurde eine kombinierte Umform- (Gesenkschmieden) und Wärmebehandlung zur Fertigung eines Zahnradvorkörpers ausgelegt. Hierfür wurde ein Finite Elemente Modell (FE-Modell) um metallkundliche Zusammenhänge erweitert, die die Umwandlung der Phasen während der Wärmebehandlung beschreiben. Im Rahmen des ausgelegten Prozesses wird die Wärmebehandlung direkt dem Gesenkschmieden nachgeschaltet. Dadurch kann die verbliebene Schmiedehitze genutzt und die zeit- und kostenintensive Wiedererwärmung der Schmiedestücke eingespart werden. Das Ziel der nachgeschalteten Wärmebehandlung ist es, in möglichst kurzer Zeit ein vollständig ferritisch-perlitisches Gefüge einzustellen, welches für die weitere mechanische Bearbeitung vorteilhaft ist.

 

Zur Erweiterung des FE-Modells wurde im institutseigenen Materialprüflabor (MPL) des IBF mittels eines Abschreck- und Umformdilatometers DIL805 der Fa. TA Instruments ein sogenanntes Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild (ZTU-Schaubild) für den untersuchten Werkstoff 18CrNiMo7-6 aufgenommen. Anhand von ZTU-Schaubildern lässt sich der zeitliche Verlauf der Phasenumwandlung bei konstanter Probentemperatur (isothermes ZTU-Schaubild) oder bei konstanter Abkühlgeschwindigkeit (kontinuierliches ZTU-Schaubild) beschreiben. Zur Ermittlung des Schaubildes wurden die zylindrischen Proben, im Anschluss an eine Austenitisierung, mittels eines Gasstroms auf Temperaturen zwischen 400 °C und 750 °C abgeschreckt und anschließend bei dieser Temperatur gehalten. Während der Haltezeit wurde mit einem taktilen Wegaufnehmer die Längenänderung der Probe aufgezeichnet. Auf Grund der Dichteänderung bei der Phasenumwandlung von Stählen, lässt sich aus der gemessenen Längenänderung die Kinetik der Phasenumwandlung für die gegebene Temperatur ermitteln. Die sich bildenden Phasenanteile werden im Anschluss im Rahmen einer metallografischen Untersuchung gemessen. Ausgehend von den Experimenten im untersuchten Temperaturbereich lässt sich dann das in Bild 1 dargestellte ZTU-Schaubild bestimmen.

Dieses wurde im nächsten Schritt in das metallkundlich erweitertes FE-Modell implementiert, welches zur Auslegung der kombinierten Umform- und Wärmebehandlung, mittels einer Simulationsstudie, genutzt wurde. Dabei wurde eine ideale Ofentemperatur von 665 °C ermittelt (vgl. Abbildung 2). Auf Grundlage der Simulationsergebnisse wurden anschließend Schmiedeversuche mit direkt nachfolgender Wärmebehandlung am Schmiedezentrum des IBF durchgeführt. Die Ergebnisse der Validierungsversuche ergaben, hinsichtlich der nach der Wärmebehandlung vorliegenden Phasenzusammensetzung, eine gute Übereinstimmung mit der Simulationsstudie (vgl. Abbildung 2). 

Somit können mit Hilfe von präzisen ZTU-Schaubildern in Kombination mit der FE-Prozessmodellierung, auch ohne umfangreiche Versuchsreihen, zeit- und kostenoptimierte Wärmebehandlungen ausgelegt werden. Um die Abweichungen in den Phasenanteilen weiter zu reduzieren soll in einem nächsten Schritt ein Umform-ZTU-Schaubild ermittelt und ebenfalls in das Simulationsmodell integriert werden. Detailliertere Information zu den am IBF vorhandenen Prüf- und Modellierungsmöglichkeiten bietet das Aachener Stahlkolloquium (ASK) am 28. und 29. März 2019.

RWTH Aachen University
Institut für Bildsame Formgebung (IBF)
Intzestraße 10
52072 Aachen
Ansprechpartner ist Jens Dierdorf
Tel.: +49 241 80-95927
dierdorf@ibf.rwth-aachen.de
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