Third party funded individual grant
Start date : 01.02.2024
End date : 31.01.2026
Increasing complexity due to functional integration of components in moving systems is still overshadowed by requirements for lightweight construction. From a production technology perspective, major challenges also lie in high energy and material costs. For large series parts, forming manufacturing processes are therefore preferred when the geometry is suitable. For components with high complexity, small wall thicknesses and high geometric requirements, machining production is often unavoidable, as it enables production with final dimensions without the challenge of high process forces. Since exclusively forming production is usually not possible for complex components and exclusively machining does not make sense for efficiency reasons, combined process chains are used in industrial environments in which different manufacturing processes are used.
During their production, the preliminary product is first produced by cup extrusion, from which the target geometry is then created by turning and milling. Due to the material flow and the inhomogeneous stress states, residual stresses remain in the pressed part after forming. These are distributed over the component volume with different signs and amounts and are in balance with one another. If component areas subject to internal stress are removed, for example through subsequent machining steps, a new state of equilibrium is formed in the remaining material. As a result, distortion can occur, particularly on flanges or with small wall thicknesses, which results in rejects due to non-compliance with the required geometric specifications. Machining post-processing steps lead to an extension of the process chain and reduce the material efficiency of the manufacturing process. Reducing the machining volume through near-net-shape processes, i.e. forming close to the final shape, therefore makes sense from both ecological and economic points of view.
The results developed as part of the 2013 priority program prove that the residual stress state of the component resulting from extrusion can be fundamentally influenced by the process control. Against this background, the overarching goal of the present research project is to identify general residual stress-relevant processes in the production of cup extruded parts and to use them in industry-related process chains to improve the component's residual stress state.
Eine steigende Komplexität durch
Funktionsintegration ist bei Bauteilen in bewegten Systemen noch durch
Anforderungen an den Leichtbau überlagert. Aus produktionstechnischer
Sicht liegen zudem große Herausforderungen in hohen Energie- und
Werkstoffkosten. Für Großserienteile finden daher bei geeigneter
Geometrie bevorzugt umformende Fertigungsverfahren Anwendung. Für
Bauteile mit hoher Komplexität, geringen Wandstärken und hohen
geometrischen Anforderungen ist hingegen eine zerspanende Herstellung
oft unumgänglich, da sie eine endmaßgenaue Fertigung ohne die
Herausforderung hoher Prozesskräfte ermöglicht. Da bei komplexen
Bauteilen eine ausschließlich umformende Herstellung meist nicht möglich
und eine ausschließlich zerspanende Herstellung aus Effizienzgründen
nicht sinnvoll ist, werden im industriellen Umfeld kombinierte
Prozessketten angewendet, in denen unterschiedliche Fertigungsverfahren
eingesetzt werden.
Bei deren Herstellung wird zunächst das Vorprodukt durch Napffließpressen hergestellt, aus welchem anschließend durch Drehen und Fräsen die Zielgeometrie erzeugt wird. Bedingt durch den Werkstofffluss und die inhomogenen Spannungszustände verbleiben nach der umformenden Herstellung Eigenspannungen im Pressteil. Diese sind mit unterschiedlichen Vorzeichen und Beträgen über das Bauteilvolumen verteilt und stehen untereinander im Gleichgewicht. Werden eigenspannungsbehaftete Bauteilbereiche entfernt, beispielsweise durch nachfolgende Zerspanungsschritte, bildet sich im verbleibenden Werkstoff ein neuer Gleichgewichtszustand. Als Resultat kann insbesondere an Flanschen oder bei geringen Wandstärken Verzug auftreten, der in Ausschuss aufgrund des Nichteinhaltens geforderter geometrischer Spezifikationen resultiert. Zerspanende Nachbearbeitungsschritte führen zu einer Verlängerung der Prozesskette und verringern die Werkstoffeffizienz des Herstellungsprozesses. Eine Reduktion des Zerspanvolumens durch Near-net-shape-Verfahren, also endkonturnahe Umformung, ist daher sowohl aus ökologischen als auch aus ökonomischen Gesichtspunkten sinnvoll.
Die im Rahmen des Schwerpunktprogramms 2013 erarbeiteten Ergebnisse belegen, dass der beim Fließpressen entstehende Bauteileigenspannungszustand grundlegend durch die Prozessführung beeinflussbar ist. Vor diesem Hintergrund ist das übergeordnete Ziel im vorliegenden Forschungsprojekt, allgemeingültige eigenspannungsrelevante Vorgänge bei der Herstellung von Napffließpressteilen zu identifizieren und in industrienahen Prozessketten zur Verbesserung des Bauteileigenspannungszustands zu nutzen.