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Steigerung der Prozesssicherheit beim Kaltumformen von Einsatz- und Vergütungsstählen mittels Akustischer Emissionsprüfung

Laufzeit:01.12.2010 – 30.09.2013
Förderung:AiF / FOSTA e.V.
Kontakt:blechumformungifum.uni-hannover.de

Die Kaltmassivumformung eignet sich besonders in der Großserienproduktion für ein vielfältiges Teilespektrum mit hohem Qualitätsanspruch. Hierbei werden vor allem Stahlwerkstoffe eingesetzt, die sich nach der Kaltumformung durch eine sehr hohe mechanische Belastbarkeit und hochwertige Oberflächenbeschaffenheit auszeichnen. Besonders in der Automobilindustrie ist die Nachfrage nach umformtechnischen hergestellten Bauteilen, bei denen es auf Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer ankommt, immens. In der Produktionsphase dieser kalt umgeformten Bauteile kann es oftmals zu Fertigungsausfällen bedingt durch Werkstückschädigungen kommen, welche die Wirtschaftlichkeit herabsetzen. Aufgrund der fehlenden Werkstückerwärmung vor der Umformung ist das Formänderungsvermögen der eingesetzten Werkstoffe eingeschränkt und kann zu einer möglichen Rissinitiierung im Werkstück führen. Gleichzeitig sorgen die höheren Fließspannungen der Werkstückwerkstoffe in Verbindung mit der abhängig vom Umformgrad zunehmenden Kaltverfestigung zu einer erhöhten Werkzeugbelastung.

Die Qualitätskontrolle kalt umgeformter Bauteile hinsichtlich durch Materialversagen hervorgerufener Bauteilfehler erfolgt aufgrund der während des Prozesses mangelnden Bauteilzugänglichkeit zumeist nach der Fertigung. Dabei erfordert das nachträgliche Prüfen der Werkstücke häufig einen hohen zeitlichen Aufwand.

Abbildung 1: Vorgehensweise zum Aufbau eines onlinefähigen AE-Überwachungssystems

In diesem Forschungsvorhaben ist ein kostengünstiges System zur Online-Risserkennung während der Kaltumformung von Stahlwerkstoffen entwickelt worden (siehe Abbildung 1). Das System basiert auf der Akustischen Emissionstechnik (AE-Technik) und wurde am Beispiel der Detektion von Chevron-Rissen an fließgepressten Bauteilen im industriellen Umfeld validiert und verifiziert.

Abbildung 2: Detektion von Chevron-Rissen während der Umformung

An verschiedenen Prozessen der Kaltmassivumformung von Stahlwerkstoffen wurden systematische Schallemissionsmessungen durchgeführt und ausgewertet. Dabei wurden die Prozesse derart modifiziert, dass das Versagen des Werkstoffs provoziert werden konnte. Die Untersuchungen ergaben, dass die Zuordnung von Schallemissionssignalen zu einer Rissentstehung und -ausbreitung möglich ist (siehe Abbildung 2).

Die AE-Technik ermöglicht es, die entstehende, spontane Freisetzung von Energie in Form von elastischen Wellen zu messen, die aus der Bauteilbelastung während des Umformprozesses resultiert. Im Rahmen mehrerer Grundlagenuntersuchungen wurden hierzu zum einen mögliche Prozesseinflüsse (bspw. Formänderungs-geschwindigkeit) auf die entstehenden AE-Signale (Schallwellen) untersucht und zum anderen eine generelle Anwendbarkeit des Verfahrens zur Risserkennung an verschiedenen Prozessen zur Kaltmassivumformung von Stahlwerkstoffen aufgezeigt. Mit der Zielsetzung, eine Methode zur Online-Überwachung von Kaltumformprozessen zur Verfügung zu stellen, wurde der Zusammenhang von Schädigungen während der Umformung und den daraus resultierenden gemessenen akustischen Emissionen untersucht. Die Auslegung der Messkette und Identifikation geeigneter Aufnahmeparameter hinsichtlich der Prozessrandbedingungen wurde ebenfalls vorgenommen. Im Fokus stand die eindeutige Identifikation der Rissentstehung im Bauteil während der Umformung.

Förderhinweis:

„Das IGF-Vorhaben 16821 N / 1 der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. -FOSTA, Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.“

 

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